專利名稱：碳纖維卷繞帶及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳纖維帶卷繞在圓柱形芯材上的碳纖維卷繞帶，及其制造方法。
背景技術(shù)：
由于輕量、機(jī)械強(qiáng)度高，碳纖維以適用于各種用途的樹脂材料的強(qiáng)化纖維而被廣泛使用。日本專利第3119699號(hào)公報(bào)是涉及長(zhǎng)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的制造方法的發(fā)明，在第0007段中示出了作為纖維實(shí)例的玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維、芳香族聚酰胺纖維等連續(xù)纖維。然而，在實(shí)施例中使用的僅是玻璃纖維，不能確認(rèn)其它纖維，特別是機(jī)械強(qiáng)度顯著不同的碳纖維也能以同樣方式制造。
日本專利第3386158號(hào)公報(bào)是涉及用熱塑性樹脂浸潰滿足給定條件式的強(qiáng)化纖維而獲得的帯狀成型材料的發(fā)明。在第0007段中，例示了作為強(qiáng)化纖維的玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等。但是，在實(shí)施例中使用的僅是玻璃纖維，不能確認(rèn)其它纖維，特別是機(jī)械強(qiáng)度顯著不同的碳纖維也能以同樣方式制造。需要說明的是，在使用滿足權(quán)利要求I所述條件式的碳纖維的情況下，日本專利第3386158號(hào)公報(bào)的實(shí)施例的方法實(shí)際上不能制造帶狀成型體。日本特開2007-76224號(hào)公報(bào)是涉及碳纖維強(qiáng)化熱塑性樹脂帶的制造裝置的發(fā)明。所述制造裝置的特征在于在制造碳素纖維強(qiáng)化熱塑性樹脂帶時(shí)排出產(chǎn)生的絨毛。日本特開2007-118216號(hào)公報(bào)是涉及碳纖維強(qiáng)化熱塑性樹脂帶的制造方法的發(fā)明。該發(fā)明中記載所得帶的厚度為130 以下，厚度超過130 的帶彎曲強(qiáng)度差(參見表I)?；谌毡咎亻_2007-118216號(hào)公報(bào)的發(fā)明，發(fā)現(xiàn)帶厚度大則彎曲強(qiáng)度差，期望通過減小帶厚度來提高彎曲強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
在儲(chǔ)存或運(yùn)輸碳纖維帶吋，以長(zhǎng)碳纖維帶的狀態(tài)進(jìn)行操作較為困難，因此，若以卷繞在芯材上的卷繞帶的狀態(tài)儲(chǔ)存、運(yùn)輸則較容易，使用時(shí)的操作性也良好。并且，根據(jù)操作的種類，存在小直徑的卷繞帶容易使用的情況，以及大直徑的卷繞帶容易使用的情況。但是，如日本特開2007-118216號(hào)公報(bào)中公開的內(nèi)容，可知一直以來，若碳纖維帶的厚度増大(厚度超過130 ym)，則彎曲強(qiáng)度差(即，厚度増大則難以卷繞保存)?；谶@一事實(shí)可知雖然碳纖維帶越薄越好，但是過薄的話，存在技術(shù)上的困難，并且會(huì)損害重復(fù)操作性。本發(fā)明所要解決的問題是提供儲(chǔ)存或運(yùn)輸較為容易的、能夠顯著提高操作性的、碳纖維帶卷繞在圓柱形芯材上的碳纖維卷繞帶，及其制造方法。作為解決該問題的方法，本發(fā)明提供碳纖維卷繞帶，其由碳纖維帶卷繞在圓柱形芯材上得到，所述碳纖維帶由包含碳纖維、和芳香族聚酰胺樹脂或脂肪族聚酰胺樹脂的復(fù)合物形成，
其中，由式(I)求得的碳纖維帶的寬度(W)在5 100mm范圍內(nèi)，所述寬度(W)在ClOOmm范圍的碳纖維帶所卷繞的圓柱形芯材的最小直徑(D)由式(II)求得，0. 2X IO^3XN ^ W ^ 2X IO^3XN (I)在式⑴中，N為構(gòu)成碳纖維帶的碳纖維根數(shù)，
4. 5XFXt ^ D ^ 50XFXt (II)在式(II)中，F(xiàn)為碳纖維量，在2(T60質(zhì)量％的范圍內(nèi)，t為碳纖維帶的厚度，在0. I 0. 5mm的范圍內(nèi)。此外，作為其他的解決問題的方法，本發(fā)明的上述碳纖維卷繞帶的制造方法具有以下エ序?qū)桓騼筛陨咸祭w維的集束體導(dǎo)入直角進(jìn)料模頭的エ序，在直角進(jìn)料模頭中，于加熱和加壓狀態(tài)下，將包含碳纖維的集束體開松，并使其與熔融樹脂接觸，得到帯狀碳纖維和熱塑性樹脂一體化而成的帶狀復(fù)合物的エ序，將所述帶狀復(fù)合物從直角進(jìn)料模頭的狹縫出口擠出，用輥從厚度方向的兩側(cè)進(jìn)行支撐，并通過冷卻獲得碳纖維帶的エ序，將所得碳纖維帶卷繞在圓柱形芯材上的エ序。本發(fā)明的碳纖維卷繞帶為碳纖維帶卷繞在芯材周圍的形態(tài)，所以容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，可以僅取出所需要的量，因此操作性良好。本發(fā)明可通過在操作時(shí)，從碳纖維卷繞帶上取出所需長(zhǎng)度的碳纖維帶，切割出所希望的長(zhǎng)度來使用。本發(fā)明可用作對(duì)汽車等部件的增強(qiáng)帯。通過嵌入成型、貼附、層壓等，可對(duì)設(shè)計(jì)上必要的部分進(jìn)行修補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)零件薄型化、小型化，減輕零件的重量。進(jìn)ー步地，因?yàn)槠溥€能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)利用了方向性的零件變形的控制，因此，特別在汽車產(chǎn)業(yè)、土木建筑業(yè)等需要部件輕量化的領(lǐng)域中是有效。


[圖I]為示意圖，表示用來說明碳纖維卷繞帶的制造方法的制造流程。[圖2]為示意圖，表示用來說明碳纖維卷繞帶的制造方法的其它制造流程。圖中，符號(hào)10表示碳纖維的帯狀集束體，11表示碳纖維帯，20表示直角進(jìn)料模頭，21表示上摸，22表示下摸，25表示熔融樹脂供給線路(供給孔)，26表示狹縫出ロ，31、32、33分別表示冷卻輥。
具體實(shí)施例方式<碳纖維卷繞帶>本發(fā)明的碳纖維卷繞帶是碳纖維帶多次(多層)卷繞在圓柱形芯材的周圍而成的。在本發(fā)明碳纖維卷繞帶中使用的碳纖維帶可卷繞在圓柱形芯材上，并且在實(shí)施至少實(shí)施例中記載的耐久試驗(yàn)I時(shí)，其外觀不發(fā)生變化(不產(chǎn)生裂紋等)，優(yōu)選在進(jìn)ー步實(shí)施耐久試驗(yàn)2時(shí)也不發(fā)生變化。
對(duì)于本發(fā)明的碳纖維卷繞帶(碳纖維帶)，由下述式(I)求得的碳纖維帶的寬度(W)在5 IOOmm的范圍內(nèi)，0. 2X IO^3XN ^ W ^ 2X IO^3XN (I)(式⑴中，N為構(gòu)成碳纖維帶的碳纖維根數(shù)。)需要說明的是，市售碳纖維的外徑基本上相同(7 Pm左右)，因此，在式⑴中不予考慮。對(duì)于由式⑴求得的碳纖維帶的寬度(W)，例如在使用25，000根碳纖維吋，碳纖維帶的寬度(W)可在5 50mm的范圍內(nèi)，在使用50，000根碳纖維吋，碳纖維帶的寬度(W)可在10 IOOmm的范圍內(nèi)。
由式⑴求得的碳纖維帶的寬度(W)為下限值(5mm)以上吋，則樹脂(芳香族聚酰胺樹脂或脂肪族聚酰胺樹脂)的浸潰充分，因此，碳纖維帶本身的強(qiáng)度得以提高，如果在上限值(IOOmm)以下，則帶內(nèi)的碳纖維分布均勻，充分顯示出由于包含碳纖維所帯來的功能。由式⑴求得的碳纖維帶的寬度(W)優(yōu)選為10 80mm,更優(yōu)選lO'Omm。本發(fā)明碳纖維卷繞帶中使用的圓柱形芯材在寬度(直徑)方向上的截面為圓形，但也可為多邊形(三角形以上，理想的為六邊形、八邊形等)、還可為橢圓形。圓柱形芯材可使用由紙、木材、塑料、金屬、陶瓷等制成的芯材。圓柱形芯材的最小直徑(最小外徑)(D)由式(II)求得。圓柱形芯材的最小直徑(D)為可卷繞上述寬度(W)的碳纖維帶，并且至少在實(shí)施實(shí)施例中記載的耐久試驗(yàn)I時(shí)其外觀不發(fā)生變化(不產(chǎn)生裂紋)的最小值，優(yōu)選為在進(jìn)一步實(shí)施耐久試驗(yàn)2時(shí)也不發(fā)生變化的最小值。4. 5XFXt ^ D ^ 50XFXt (II)(式(II)中，F(xiàn)為碳纖維量，在2(T60質(zhì)量％的范圍內(nèi)，t為碳纖維帶的厚度，在
0.ro. 5mm的范圍內(nèi)。)需要說明的是，在圓柱形芯材的截面形狀為多邊形，例如六邊形的情況下，將連接正對(duì)角的長(zhǎng)度作為所述D，在橢圓形的情況下，將長(zhǎng)徑的長(zhǎng)度作為所述D。碳纖維帶的碳纖維量越小(即，芳香族聚酰胺樹脂量或脂肪族聚酰胺樹脂量越多)，柔軟性提高，越容易卷繞到芯材上，碳纖維量越多(即，芳香族聚酰胺樹脂量或脂肪族聚酰胺樹脂量越少)，柔軟性降低，越難以卷繞到芯材上。并且，如果碳纖維帶厚度大則容易制造，但難以卷繞到芯材上，如果厚度小則難以制造，但容易卷繞到芯材上。式(II)是從碳纖維帶的碳纖維濃度(F)和厚度(t)的關(guān)系求出可卷繞碳纖維帶并保持的圓柱形芯材的直徑(D)的式子。具體而言，在將具有各種濃度(F)和厚度(t)的碳纖維帶卷繞到各種直徑的芯材上時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定碳纖維帶的外觀不發(fā)生變化時(shí)的芯材直徑(D)，并由濃度(F)和厚度(t)的關(guān)系推導(dǎo)出式(II)。在式(II)求得的圓柱形芯材的最小直徑(D)以上的情況下，在卷繞保持時(shí)，碳纖維帶不會(huì)產(chǎn)生裂紋等。需要說明的是，從運(yùn)輸、儲(chǔ)存、操作時(shí)等易于處理的觀點(diǎn)來看，在滿足由式(II)求得的最小直徑⑶的范圍內(nèi)，圓柱形芯材的最小直徑⑶優(yōu)選為25_以上，更優(yōu)選為30mm以上。
另外，從可卷繞碳纖維帶，并且不產(chǎn)生裂紋等的理由考慮，圓柱形芯材的上限值沒有限定，可根據(jù)制造エ藝、儲(chǔ)存和運(yùn)輸、操作場(chǎng)所等的要求選擇適當(dāng)?shù)闹?，例如可以為IOOOmm以下,從處理的觀點(diǎn)來看,優(yōu)選800mm以下、更優(yōu)選600mm以下、500mm以下。形成碳纖維卷繞帶的碳纖維帶是由包含碳纖維和聚酰胺樹脂的復(fù)合物形成的。碳纖維為公知的碳纖維，其可使用PAN類、浙青類、人造絲類、木質(zhì)素類等物質(zhì)。芳香族聚酰胺由芳香族ニ羧酸與脂肪族ニ胺、或脂肪族ニ羧酸與芳香族ニ胺得至IJ，例如可使用聚酰胺MXD(間苯ニ甲胺和己ニ酸)、聚酰胺6T(己ニ胺和對(duì)苯ニ甲酸)、聚酰胺61 (己ニ胺和間苯ニ甲酸)、聚酰胺9T (壬ニ胺和對(duì)苯ニ甲酸)、聚酰胺M5T(甲基戊ニ胺和對(duì)苯ニ甲酸)、聚酰胺IOT (癸ニ胺和對(duì)苯ニ甲酸)。脂肪族聚酰胺可使用聚酰胺6、聚酰胺46、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺1212、聚酰胺1010、聚酰胺1012、聚酰胺1112、聚酰胺610、聚酰胺612、聚酰胺69、聚酰胺810 等。 本發(fā)明的碳纖維卷繞帶為卷繞在圓柱形芯材上的形態(tài)，在操作時(shí)，可放出適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，并切割出所期望的長(zhǎng)度，作為碳纖維帶使用。從本發(fā)明的碳纖維卷繞帶中取出的碳纖維帶可用作各種樹脂成型體的增強(qiáng)材料。從本發(fā)明碳纖維卷繞帶中取出的碳纖維帶適用于平織、斜織、緞織等方法，可形成片狀織物，也可將所述片狀織物加工成柱形。另外，還可將本發(fā)明碳纖維卷繞帶中取出的碳纖維帶編織成柱形。從本發(fā)明碳纖維卷繞帶中取出的碳纖維帶、由此獲得的片或圓柱體等，由于包含芳香族聚酰胺樹脂，可通過加熱而變形成期望的形狀?！刺祭w維卷繞帶的制造方法〉根據(jù)圖I、圖2，說明碳纖維卷繞帶的制造方法。在最初的エ序中，以傳送棍15、16支撐,并將包含一根或兩根以上碳纖維的集束體10導(dǎo)入直角進(jìn)料模頭20中。集束體10優(yōu)選纖維直徑為5 24 u m,纖維根數(shù)在1000 200，000根的范圍內(nèi)的碳纖維束，更優(yōu)選3000150，000根范圍內(nèi)的碳纖維束。該碳纖維束可直接使用市售的碳纖維束(例如，30K=30，000根)，也可將多個(gè)市售的碳纖維束組合使用(例如，將三束IOK=IO, 000根的纖維束組合成30，000根使用)。另外，該集束體10可直接使用碳纖維束，也可用集束劑對(duì)碳纖維束的表面進(jìn)行表面處理而形成暫時(shí)固定(仮留め)的狀態(tài)(不松開束，并且以不損害以后的開松操作的程度而使之一體化的狀態(tài))。接著，在直角進(jìn)料模頭20內(nèi)，于加熱和加壓狀態(tài)下，將包含碳纖維的集束體10開松，并與熔融樹脂(熔融狀態(tài)的芳香族聚酰胺樹脂)接觸。集束體10的開松，只要是可在厚度方向上對(duì)集束體10施加壓カ的方法即可，在本發(fā)明中，使用將上模21和下模22組合的直角進(jìn)料模頭。直角進(jìn)料模頭20組合有具有在長(zhǎng)度方向上連續(xù)形成波浪狀的凹凸21a的上模21和具有可形成與所述上模21的波浪狀凹凸21a相嵌合的波浪狀凹凸22a的下模22。在上模21 (或者也可為下模22)中設(shè)置有熔融樹脂的導(dǎo)入線路(導(dǎo)入孔)25，可在上模21和下模22之間的集束體10的通過間隙供入熔融樹脂。
在上模21和下模22中，可采用各種加熱方法，將通過上述通過間隙的集束體10加熱。此時(shí)的加熱溫度為導(dǎo)入線路(導(dǎo)入孔)25所供給的樹脂(芳香族聚酰胺樹脂)的熔點(diǎn)以上的溫度。在通過上模21和下模22之間的通過間 隙時(shí)，在以鋸齒形通過凹凸21a、22a的間隙的過程中使集束體10開松，在碳纖維間浸潰熔融的芳香族聚酰胺樹脂。此后，將使集束體10和芳香族聚酰胺樹脂一體化而成的復(fù)合物從直角進(jìn)料模頭20的狹縫出ロ 26以帶狀(碳纖維帶11)擠出。此時(shí)，可通過調(diào)整狹縫出ロ 26的大小而調(diào)整碳纖維帶11的厚度和寬度。此后，在適當(dāng)配置的冷卻輥31、32、33上冷卻并拉取，卷繞在圓柱形芯材上，獲得碳纖維卷繞帯。圖I中，將冷卻輥31、32、33分別隔著碳纖維帶11配置在不鄰接的位置上，先將碳纖維帶11的任意一面冷卻，接著冷卻其它面。圖2中，將冷卻輥31、32分別隔著碳纖維帶11配置在鄰接的位置上，將碳纖維帶11的兩面同時(shí)冷卻。實(shí)施例制造例(碳纖維帶的制造)根據(jù)圖I中所示的流程，制造具有表I中所示碳纖維濃度和厚度的碳纖維帯。[碳纖維集束體10]托雷卡絲，T700S(東_株式會(huì)社制造)[芳香族聚酰胺樹脂]PA MXD6，RENY6002 (三菱工程塑料(株)制造)[脂肪族聚酰胺]PA66，UBE尼龍2015B (宇部興產(chǎn)(株)制造)PA612, VESTMID DX9308 (大賽璐 贏創(chuàng)(株)制造)〈PA MXD6使用時(shí)的制造條件>集束體10的進(jìn)給速度5m/分鐘直角進(jìn)料模頭20的加熱溫度290°C (其中，在PA66、PA612的情況下為300°C )狹縫出ロ寬度(帶的厚度)0. ro. 6mm X長(zhǎng)度(帶的寬度)10 50臟冷卻輥31的表面溫度80°C (其中，在PA66、PA612的情況下為85°C )冷卻輥32的表面溫度80°C (其中，在PA66、PA612的情況下為85°C )冷卻輥33的表面溫度60°C使用所得各碳纖維帶的碳纖維濃度(F)和厚度⑴，由式(II)
4.5XFXt ^ D ^ 50XFXt(II)4求得的圓柱形芯材的外徑⑶在表I中示出。[表 I]
權(quán)利要求
1.碳纖維卷繞帶，其由碳纖維帶卷繞在圓柱形芯材上得到，所述碳纖維帶由包含碳纖維、和芳香族聚酰胺樹脂或脂肪族聚酰胺樹脂的復(fù)合物形成， 其中，由式(I)求得的碳纖維帶的寬度(W)在ClOOmm范圍內(nèi)， 所述寬度(W)在ClOOmm范圍的碳纖維帶所卷繞的圓柱形芯材的最小直徑(D)由式(II)求得，0. 2X IO^3XN ^ W ^ 2X IO^3XN (I) 在式(I)中，N為構(gòu)成碳纖維帶的碳纖維根數(shù)， 4. 5XFXt ^ D ^ 50XFXt (II) 在式(II)中，F(xiàn)為碳纖維量，在2(T60質(zhì)量％的范圍內(nèi)，t為碳纖維帶的厚度，在0. I 0. 5mm的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳纖維卷繞帶，其中，所述碳纖維帶的寬度為l(T80mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的碳纖維卷繞帶，其中，所述芳香族聚酰胺樹脂選自聚酰胺MXD6、聚酰胺9T和聚酰胺10T，所述脂肪族聚酰胺樹脂選自聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610和聚酰胺612。
4.權(quán)利要求廣3中任一項(xiàng)所述的碳纖維卷繞帶的制造方法，其具有以下エ序 將包含一根或兩根以上碳纖維的集束體導(dǎo)入直角進(jìn)料模頭的エ序， 在直角進(jìn)料模頭中，于加熱和加壓狀態(tài)下，將包含碳纖維的集束體開松，并使其與熔融樹脂接觸，得到帯狀碳纖維和熱塑性樹脂一體化而成的帶狀復(fù)合物的エ序， 將所述帶狀復(fù)合物從直角進(jìn)料模頭的狹縫出口擠出，用輥從厚度方向的兩側(cè)進(jìn)行支撐，并通過冷卻獲得碳纖維帶的エ序， 將所得碳纖維帶卷繞在圓柱形芯材上的エ序。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳纖維卷繞帶的制造方法，其中，所述直角進(jìn)料模頭組合有具有在長(zhǎng)度方向上連續(xù)形成的波浪狀凹凸的上模和具有可形成與所述上模的波浪狀凹凸相嵌合的波浪狀凹凸的下模，在任意之一的模中設(shè)置有熔融樹脂的導(dǎo)入孔， 所述包含碳纖維的集束體的開松通過使所述集束體鋸齒形地通過上模和下模之間來實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種碳纖維帶卷繞在圓柱形芯材上得到的碳纖維卷繞帶，所述碳纖維帶由包含碳纖維和芳香族聚酰胺樹脂或脂肪族聚酰胺樹脂的復(fù)合物形成。由式(I)求得碳纖維帶的寬度(W)在5-100mm之間，并且所述寬度(W)在5-100mm之間的碳纖維帶所卷繞的圓柱形芯材的最小直徑(D)由式(II)求得。0.2×10-3×N≦W≦2×10-3×N(I)(在式(I)中，N為構(gòu)成碳纖維帶的碳纖維根數(shù))；4.5×F×t≦D≦50×F×t(II)(在式(II)中，F(xiàn)為碳纖維量，在20-60質(zhì)量%的范圍內(nèi)，t為碳纖維帶的厚度，在0.1-0.5mm的范圍內(nèi))。
文檔編號(hào)C08J5/04GK102971363SQ201180032640
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者高坂繁行, 朝見芳弘 申請(qǐng)人:大賽璐高分子株式會(huì)社